客货车分流通行的收费站通行能力研究＊

李巧茹 陈 亮 刁文文

（河北工业大学土木工程学院1） 天津 300401） （河北省土木工程技术研究中心2） 天津 300401）

0 引 言

目前我国绝大多数高速公路采用收费通行模式，因此收费站是高速公路系统重要的组成部分．高速公路收费站是高速公路交通流的“瓶颈”，在来车强度较高的时段，收费站的通行能力将会直接影响到上游路段的通行能力，从而在总体上制约高速公路的交通运行状况．因此，研究如何提高收费站的通行能力将为解决高速公路畅通提供保证，为收费站的规划及设计改进提供理论支撑．目前，对于公路收费站的通行能力，国内外学者均作了一定的研究．全世界140 000km收费公路中100 000km在中国，美国及其他发达国家收费公路所占比例较小，因此对收费站通行能力的研究相对较少．美国、日本等国部分学者以等候理论为基础，经过等候理论模型推导，求出收费站平均每车等候时间与平均车辆等候长度，从而评估了收费站的服务水平［1－2］．我国对高速公路收费站通行能力的研究起步较晚，但也取得了一些成就．丁创新、曾应昆［3］建立了收费站的排队模型，在深入分析实地调查数据的基础上，应用M／G／K模型，计算出了收费站的最大服务交通量，并提出了分析收费站通行能力的方法．杭文、何杰［4］通过对交通流运行特性和分布特性的分析，建立了公路收费站通行能力的系统动力学仿真模型，对高速公路收费站的通行能力进行了研究．

从目前来看，收费站依然是高速公路的通行瓶颈，收费站的通行能力亟待进一步提高．尤其对于承担着重要运输任务的国道主干线高速公路，如青银高速、京珠高速、连霍高速由于大量物流运输货车的混入，使得整条高速公路的通行能力大大降低．本文针对此种现象，提出了高速公路车辆进入收费站前的客货车强制分流系统，并计算了指示标志设置的位置以及强制减速区域的长度，提高了收费站的通行能力．

1 强制分流设施的合理设置

为了提高高速公路收费站处的通行能力，应加强车辆进入收费站前的强行客货分流．车辆在高速公路主线上行驶时，由于道路等级高，线形平稳，车辆之间侧向干扰小，车速快，在进入收费站之前将货车与小型车进行强制分流，必须在收费站前合适的位置设置相应的减速设施，同时在设施前方合适的位置设置醒目的道路指示标志和标线．

1．1 减速指示标志设置的要求及位置

由交通心理学可知，驾驶员对限速标志的反应过程主要分为发现、认读、理解和行动4个阶段，在这4个反应过程中，驾驶员需要花费一定的时间来执行，同时车辆会有一定的制动距离．根据驾驶员对限速标志的这一获取过程，限速标志在确定设置位置点时，要考虑驾驶员的这4个反应特性．如图1驾驶员对限速标志的认读过程所示，车辆行进方向如图中箭头所示．正常情况下，驾驶员在L段距离内依据标志牌所载信息完成对所驾车辆实施操作的相关动作，如使行驶车辆减速、改变行驶方向等．

图1 指示标志设置位置示意图

设从G点到M点的距离为驾驶员读完标志后距离a（简称为读完后距离a）；从K点到标志M点的距离为驾驶员可操作距离m（简称为可操作距离m）；从R点到标志M点的距离为对标志的视认距离S；从标志M点到P点的距离为标志设置的前置距离D（简称为前置距离D）．由于读完后距离a与标志的设置地点相关，而可操作距离m则主要与驾驶员自身的生理、心理特性相关，如果读完后距离a与可操作距离m相等或比其短，就意味着驾驶员在读完标志后没有时间从容地对所获信息进行分析判断．

为了保证驾驶员能够有效地利用交通标志传递的信息，驾驶员读完信息后距标志牌的距离必须大于可操作距离．在实际应用中：（1）除安置在门架上的标志外，其他标志的设置位置一般与驾驶员的正前方视线斜偏一定角度；（2）驾驶员从交通标志获得信息后，对所驾车辆实施的操作主要为行驶中的车道变换及车速改变，根据汽车行驶理论，行驶中车辆车速变化过程中行驶的距离为：（v22－v21）／（2a）；因此，理论上驾驶员有效利用交通标志传递信息的条件为：

式中：（n－1）L＊为变换车道的距离；v1为E点的速度；v2为P点的速度；a为减速度．

若在较短时间内加速度没有变化，推导出车道变换的时间Δt：

式中：Δt为车道变换所需时间；β为车辆变道时的转向角；x为车道宽度；v为变道车辆的速度．由此可以求出变道所需要的距离y：

对于转向角β的调查［5－7］表明，在高速公路上β值一般不大于1．6°．当速度增加时，转向角β减小．对大量调查数据拟合，得出转向角与车速的线性模型：

根据高速公路小型车及大货车的平均行驶速度及不同车型的制动性能，以及到达P点的限制速度，可以计算出对于小汽车指示标志的前置距离为286m，大货车的前置距离为258m，又需满足两种车型均可通过，因此交通标志的设置距离约为前方300m处．为防止驾驶员短暂性遗忘，建议在收费站前方500m处加设一个减速标志牌．

1．2 减速设施的设置

为了达到强制分流小型车与大货车的目的，并且保证减速带的耐久性及安全性，本文选用驼峰式橡胶减速带．振动减速带纵断面为圆弧状，高度为20mm．为了保证限速的质量并避免车辆速度过快对限高设施造成破坏，需要设置减速区域，确保所有车辆到达限高标志前车速达到预定要求．根据目前高速公路行车的特性（小型车车速110km／h，大货车90km／h），以及车辆的减速度3．5m／s2，可以求得车辆在强制减速区域的行驶距离为80m，因此前置减速区域的距离应该大于等于80m，本文选取100m．

1．3 车速反馈标志的设置

车辆通过减速带以后还应设置一个车速反馈标志，该标志通过静态交通标志和动态实时车速显示相结合，明确提示驾驶人需要注意的事项，在较远位置提醒驾驶员注意，同时反馈行驶车辆的速度，警告驾驶员放慢车速．

1．4 强制限行措施的设置

本文采用的强制限行设施为限高架．为了达到客货分流，在收费广场前端内侧设置两条专供小型车使用的车道．目前我国大货车的一般高度为2．2m，为限制大货车通行，每隔10m设置一个高度为2m的限高架，共设3个，以加强限高的强制性；在限高架外侧沿线加黄色反光警示标志以提醒货车驾驶员．

根据以上分析，设计出具体的强制分流设施系统结构图见图2．

图2 强制分流结构示意图

2 用VISSIM仿真比较采用强制分流设施前后收费站通行能力

2．1 VISSIM微观仿真模型参数的标定

为了使交通流模拟仿真更加接近实际交通情况，对微观仿真模型参数的标定具有重要的意义．根据本文的研究对象，主要包括对高速公路交通规则、驾驶员特点和参与交通流仿真的各种车型参数标定．我国研究者对仿真模型参数标定与校正的方法有正交试验法、遗传模拟退火启发式算法、SPSA算法等，校正结果基本相似．本文在结合以上文献参数标定成果的基础上，结合本文的研究特点，对参数进行以下标定．

本文采用的跟驰模型为VISSIM软件中Wiedemann99模型．此模型是 Wiedemann于1999年专门针对城际快速路、高速公路等开发设计的模型，Wiedemann99模型的大部分参数基本满足高速公路交通流运行的特征．此模型的主要参数见表1．

表1 Wiedemann99跟驰模型参数标定

此外，Wiedemann99跟驰模型还包括2个外部驾驶员参数：前视距离、观察车辆数．驾驶员前视距离设为0～299．63m，观察车辆数使用默认值2．

2．2 强制分流设施设置前后收费车道通行能力仿真比较

仿真路段选取某单向双车道的高速公路，在出口处有2条收费车道．其中第一次仿真为未设置分流设施，第二次仿真为采用强制分流设施以后，2次仿真通过设置路径决策对前两条收费车道的通行车辆进行限制，实现强制分流设施的仿真．通过仿真计算得到车辆排队长度、时间延误等参数．

我国高速公路规定的行驶速度为60～120 km／h，本文根据实际车辆行驶速度采用85～120 km／h．车辆到达收费站以后排队交费通过收费站，其中根据调查得知小型车通过收费站的服务时间设置为12s，大货车通过收费通道的服务时间为20s．仿真采用的车型比例按照小型车：货车比例为72∶28．其中第1次仿真的效果图见图3．

图3 第1次仿真结果图

在进行第2次仿真的过程中，只需要在路径决策的设置中对前2条收费车道的通行车辆进行限制即可实现强制分流，其他设置不变．

本文在仿真过程中选用的评价指标包括行程时间、车辆延误、排队长度．在排队长度统计输出中包括平均排队长度、最大排队长度和停车次数3个基础数据．仿真输出结果略．

从仿真结果可以看出，第1条收费车道的平均排队长度的最大值由80变为64，第2条由34变为26，第3条没有变化，第4条尤其明显，由39变为4．仿真结果显示在采用强制分流设施后每一条收费车道的通行能力都得到了不同程度的提高．

2次仿真车辆延误的统计情况由于篇幅所限，略．延误时间的测量由一个或几个行程时间的测量定义，与选择的车辆类别无关，所有这些车辆能被行程时间检测器检测到的同时也能被延误时间检测器检测到．延误时间检测的定义为：同理想的行程时间相比（没有其他车辆，无信号控制），在一个或一些路段上计算的所有观测车辆的延误时间的平均值．延误就是车辆总延误的平均值．

分别选择2组数据的第1列，即小型车在内侧车道的延误时间．其中，检测路段为减速渐变段的开始到加速渐变段的结束，根据仿真软件中延误的定义可以发现，在仿真时间内每一辆车的平均延误时间减少了3．875s．每辆车的平均停车时间在输出结果表格中已经明确显示，未设置强制分流设施车辆通过收费车道的平均停车时间为81．7s，而采用强制分流设施后车辆通过收费车道的平均停车时间为63．2s，在停车次数方面，未设置强制分流设施时平均停车2．34次，而采用强制分流设施后平均停车2．11次．大型车通过收费站的平均停车时间由129．6s减少到了71s，而平均停车次数由3．25次减少到了2．6次．因此，设置强制分流设施是有效提高收费站通行能力的技术措施．

通过2次仿真所得数据可计算出采用强制分流设施以后，平均每条车道的排队长度减少了35%，车辆通过收费车道的平均停车时间减少23%．因此，无论是在排队长度方面，还是在时间延误方面都得到明显的改善，证实了设施设置的有效性．

3 结束语

为提高高速公路收费站的通行能力，本文提出了客货车强制分流系统（包括指示标志、强制减速设施、速度反馈标志、强制限行设施），根据高速公路小型车及大货车的平均行驶速度及不同车型的制动性能等计算出指示标志设置合理的位置以及强制减速区域的合理长度．并且应用VISSIM软件对采取强制分流设施前后收费站的通行能力进行仿真模拟比较，选取排队长度和车辆延误时间作为评价指标，证实了设置分流设施可以有效的减少每条车道排队长度，减少收费车辆平均停车时间，从而有效提高收费站的通行能力．

［1］TURNER D J．Traffic characteristies of rural motorwas［J］．Traffic Engineering ＆ Control，1983（5）：55－58．

［2］YANG Q，TSOPOULOS H N．A microscopic traffic simulator for evaluation of dynamic traffic management systems［J］．Transportation Research，Part C，1996，4（3）：113－129．

［3］丁创新，曾应昆．高等级公路收费站通行能力分析［J］．昆明理工大学学报：理工版，2005（2）：91－94．

［4］杭 文，何 杰．基于仿真的公路收费站通行能力研究［J］．交通与计算机，2007（2）：60－66．

［5］章 玉，于 雷，赵娜乐，等．SPSA算法在微观交通仿真模型VISSIM参数标定中的应用［J］．交通运输系统与工程，2010，10（4）：44－49．

［6］陈 斌，郭远辉．高速公路车道变换仿真模型［J］．西华大学学报：自然科学版，2007（1）：35－40．

［7］廖 固．高速公路收费站通行能力分析［J］．公路工程，2010（6）：153－156．